УДК 533.6.01

И. И. ИВАНОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ ПОТОКА В КАНАЛЕ

С ГАНТЕЛЕОБРАЗНЫМИ ЛУНКАМИ

STUDY OF FLOW AERODYNAMICS IN A CHANNEL

WITH DUMBBELL-SHAPED DIMPLES

Проведено исследование аэродинамического сопротивления канала с гантелеобразными лунками на поверхности и с гладкими стенками. Выявлено, что гидравлическое сопротивление канала с гантелеобразными лунками выше, чем гладкого. При этом поверхность канала предлагаемой конструкции также выше, что может быть использовано для интенсификации теплообмена в рекуперативных теплообменниках систем вентиляции. Выполнено численное исследование течения в прямоугольном канале с односторонним расположением лунок предлагаемой геометрии. Выявлено, что применение таких лунок на малых скоростях течения на входе в канал (0,5 – 1 м/с) увеличивает до 20 % скорость течения газа вблизи поверхности с лунками по сравнению с гладкой стенкой. При скорости течения на входе в 16,5 м/с, вблизи лунок возникают области с пониженными скоростями.

The paper deals with the study of aerodynamic resistance in a channel with dumbbell-shaped dimples on the surface and with smooth walls. It has been found that the hydraulic resistance of a channel with dumbbell-shaped dimples is higher than of a smooth one. The surface of the channel of the proposed design is also higher. It can be used for the intensification of heat transmission in recuperative heat exchangers of ventilation systems. The numerical study of the flow in a rectangular channel with one-sided arrangement of dimples of proposed geometry has been carried out. It has been determined that the use of such dimples at small flow rates near the inlet (1 – 0.5 m/s) will increase the rate of gas flow near the surface with dimples in comparison with a smooth wall to 20%. When the flow rate near the inlet is 16.5 m/s, the areas with lower rates appear near the dimples.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Ключевые слова: поверхностные интенсификаторы, эксперимент, аэродинамическое сопротивление, коэффициент трения, лунки.

Keywords: surface intensifiers, experiment, aerodynamic resistance, coefficient of friction, dimples.

Основные методы повышения эффективности теплообменных аппаратов  [1–9] можно разделить на два основных типа: пассивные и активные. Пассивные методы интенсификации теплообмена [10] основаны на увеличении поверхности теплообмена поверхностей, например, нанесение ребер, насечек, лунок. Вблизи таких особенностей поверхности образуются вихревые потоки, что приводит к повышению теплоотдачи.

…

Численное моделирование

Для численного моделирования использовались программные комплексы с открытым исходным кодом. Геометрия расчетной области, представляющая узкий прямоугольный канал с односторонним расположением гантелеобразных лунок, создана в Salome [14]. Геометрия исследуемого прямоугольного канала с гантелеобразными лунками представлена на рис. 1, а. В этом же программном комплексе Salome выполнена дискретизация расчетной области (рис. 1, б).

а

б

Рис. 1. Геометрия расчетной области:

а – размерные параметры; б – дискретизация расчетной области

…

Экспериментальное исследование

…

Задачей эксперимента является исследование изменения коэффициента трения на участке с гантелеобразными лунками. Перед началом эксперимента была зафиксирована заслонка на пульсаторе в максимально открытом положении и произведены замеры: скорости, температуры, полного, статического и динамического давления при разных расходах воздуха. Замеры производились на входе в гладкий воздуховод, на выходе из него и на выходе из воздуховода с лунками (см. рис. 3). На рис. 4 показан экспериментальный стенд и развертка внутренней поверхности воздуховода.

а

б

Рис. 4. Экспериментальный стенд (а) и развертка поверхности

с интенсификаторами (лунками в форме гантель (б):

1 – напорный патрубок; 2 – вентилятор; 3 – всасывающий патрубок

…

В результате обработки экспериментальных данных были определены удельные потери полного давления каждого из участков воздуховода для различных расходов и скоростей воздуха. Результаты измерений занесены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований

Расход воздуха, мі/ч

Потери давления , гладкий/шероховатый воздуховод, Па

Скорость воздуха, м/с

1000

18/25

16,15

1050

20/27

16,96

1100

21/28

17,76

1150

23/29

18,57

1200

25/31

19,38

Для вычисления коэффициента трения необходимо определить режим течения потока воздуха, характеристикой которого является критерий Рейнольдса

.                                                        (1)

Здесь н=15,55·10-6 – кинематическая вязкость воздуха, мІ/с; d=0,15 – диаметр воздуховода, м; х – скорость воздуха, м/с).

Длина участка с гантелеобразными лунками составляет 10 калибров. Для всех скоростей при проведении исследований критерий Рейнольдса соответствовал турбулентному режиму течения. Например, при расходе 1050 м3/ч Re =161 093.

Для турбулентного течения теоретическое значение коэффициента трения определяется по формуле Альтшуля

                                               (2)

где – эквивалентная шероховатость, мм (для гладкого 0,1; шероховатого 1 мм).

Результаты эксперимента приведены на рис. 6.

Рис. 6. График изменения коэффициента трения на двух различных участках

Выводы. Эксперимент показал увеличение коэффициента трения в воздуховоде с гантелеобразными лунками на 50–75 %. Численное моделирование выявило, что при малых скоростях газа на входе в канал (порядка 0,5–1 м/с) вблизи гантелеобразных лунок наблюдается некоторое увеличение (до 20 %) скорости потока.

…

Благодарности: Благодарим коллектив Новокуйбышевского завода «Волгопромвентиляция» за помощь в создании интенсифицированной поверхности. Выражаем благодарность за помощь в сборке экспериментального стенда заведующему лабораториями кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Благодарим магистранта группы МТ-52 за помощь в проведении опытов.

Библиографический список

Интенсификация теплообмена: Тематический сборник. Успехи теплопередачи / Под ред.  , . Вильнюс: Мокслас, 1988. 188 с. Интенсификация тепло - и массообмена на макро-, микро - и нано - масштабах / , -Кичта, , ; Под ред. -Кичты. М.: ФГУП ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2008. 532 с. , , Интенсификация температурной стратификации турбулентных потоков за счет использования тепловых труб // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2013. № 3-4. С. 33-38. , , Об использовании тепловых труб для повышения эффективности газодинамической температурной стратификации // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. (национального исследовательского университета). 2013. № 3-2 (41). С. 192-197. Tsynaeva A. A., Tsynaeva E. A., Shkolin E. V. Methods of heat transfer intensification in the thermal stratification pipe. Russian Aeronautics, 2013, Vol. 56, № 4, pp. 379-383. Численное исследование температурной стратификации // Автоматизация процессов управления. 2014. № 2 (36). С. 62-66. , , Труба температурной стратификации // Патент Российской Федерации 2468309. 2012; опубл. 27.11.2012, Бюл. № 33. Страница программного продукта – http://www. salome-platform. org/ (дата обращения: 16.03.2015). Страница Langley Research Center: Turbulence Modeling Resource — http://turbmodels. larc. nasa. gov/sst. html (дата обращения: 12.05.2015).

18. , , Методические указания к проведению лабораторных работ по вентиляции / СГАСУ. Самара, 2011. 45 с.

20. , , Исследование работы сплит-системы в режиме подогрева // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2015. № 1(18). С. 90–99. DOI: 10.17673/Vestnik.2015.01.14.

Об авторах:

ИВАНОВА Инна Ивановна

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции

Самарский государственный технический университет,

архитектурно-строительный институт

443001, Россия, 94

E-mail: a. *****@***ru

IVANOVA Inna I.

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Heat Supply and Ventilation Chair

Samara State Technical University,

Institute of Architecture and Civil Engineering

443001, Russia, Samara, Molodogvardeyskaya str., 194

E-mail: *****@***ru